(57)【要約】      （修正有）【課題】  磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスを構築するために必要な磁気データ・トラックを製造する改良した方法を提供する。【解決手段】  磁気データ・トラックは、交互の誘電体および／またはシリコン層の多層スタックを形成することによって製造することができる。この交互の層の多層スタックに、約１０ミクロンの高さで、縦が約１００ｎｍで横が約１００ｎｍの断面を有するバイアをエッチングする。交互のタイプの強磁性体またはフェリ磁性体金属の層を電気めっきすることによって、バイアを充填する。交互の強磁性体またはフェリ磁性体層は、異なる磁化または磁気交換または磁気異方性を有する磁気材料から成る。これらの異なる磁気特性によって、これらの層の間の境界に磁壁を固定することができる。磁壁は、バイアの壁に沿ってノッチまたは突出に生じる強磁性体または強磁性体材料における切れ目によって形成される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ・トラックを備えた磁気シフト・レジスタを製造する方法であって、
絶縁体基板にトレンチをエッチングするステップと、
前記トレンチにトレンチ材料を充填して中央領域を形成するステップと、
前記絶縁体基板および前記トレンチ材料の上に多層スタック構造を形成するステップと、
前記多層スタック構造を貫通するように２つのバイアを形成して前記中央領域を露呈させるステップと、
前記２つのバイアに磁気材料を充填してデータ領域および蓄積部を形成し、これによって前記データ領域、前記中央領域、および前記蓄積部が前記データ・トラックを形成するようにするステップと、
を備えることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記トレンチ材料が均質な磁気材料を備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記均質な磁気材料が、強磁性体材料およびフェリ磁性体材料から成る群から選択されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記均質な磁気材料が、パーマロイ、ニッケル−鉄合金、コバルト−鉄合金、Ｎｉ、Ｃｏ、およびＦｅのうち１つ以上から形成される合金、Ｎｉ、Ｃｏ、およびＦｅのうち１つ以上をＢ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｐｄ、およびＰｔのうちいずれか１つ以上と組み合わせて形成される合金から成る群から選択されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記トレンチ材料が不均質な磁気材料を備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記不均質な磁気材料が、強磁性体材料およびフェリ磁性体材料から成る群から選択されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記トレンチ材料を充填するステップが、前記トレンチに犠牲材料を充填するステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記中央領域上に底部保護キャッピング層を形成して前記トレンチ材料を保護するステップを更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記底部保護キャッピング層が、窒化シリコン、酸化シリコン、および誘電体から成る群から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記底部保護キャッピング層の厚さが約１０および５００ｎｍの間の範囲であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記多層スタック構造を形成するステップが、交互の材料ＡおよびＢで前記多層スタック構造を形成するステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
材料ＡおよびＢが異なる材料を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
材料ＡおよびＢが同様の材料を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
材料Ａが二酸化シリコン（ＳｉＯ2）を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
材料Ｂがシリコン（Ｓｉ）を備えることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
材料Ａが二酸化シリコンを備えることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
材料Ｂが窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）を備えることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記多層スタック構造および前記２つのバイアの上に上部保護キャッピング層を形成するステップを更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記上部保護キャッピング層が誘電体材料を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記上部保護キャッピング層が窒化シリコンを含むことを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記上部保護キャッピング層の厚さが約１０および５００ｎｍの間の範囲であることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
材料ＡおよびＢが、予め選択されたエッチング液に対して異なるエッチング・レートを有することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
材料ＡおよびＢの厚さが前記データ・トラックにおける磁壁の分離距離に対応することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項２４】
材料ＡおよびＢの厚さが同様であり、約０．５および１０ミクロンの間の範囲であることを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
材料ＡおよびＢの厚さが異なることを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
材料ＡおよびＢをエッチングして、前記データ・トラックに沿って磁壁に対応する一連のノッチを形成するステップを更に備えることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項２７】
材料ＡおよびＢをエッチングして、前記データ・トラックに沿って磁壁に対応する一連の突出を形成するステップを更に備えることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項２８】
前記２つのバイアを形成するステップが前記２つのバイアを選択的にエッチングするステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記バイアが内側の側壁を備え、前記内側の側壁に絶縁体層を形成するステップを更に備えることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記内側の側壁に絶縁体層を形成するステップが、前記内側の側壁を酸化させるステップを備えることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記絶縁体層が二酸化シリコンを含むことを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記絶縁体層の厚さが約３ｎｍおよび３０ｎｍの間の範囲であることを特徴とする、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記２つのバイアを形成するステップが、概ね方形の断面を有する前記２つのバイアを形成するステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３４】
前記２つのバイアを形成するステップが、概ね矩形の断面を有する前記２つのバイアを形成するステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３５】
前記２つのバイアを形成するステップが、概ね円形の断面を有する前記２つのバイアを形成するステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３６】
前記２つのバイアを形成するステップが、第１のエッチング・プロセスを用いて、材料Ｂに対して選択的に材料Ａをエッチングするステップを更に備えることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項３７】
前記２つのバイアを形成するステップが、前記第１のエッチング・プロセスと交互に、第２のエッチング・プロセスを用いて、材料Ａに対して選択的に材料Ｂをエッチングするステップを更に備えることを特徴とする、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１のエッチング・プロセスが、二酸化シリコンに比べてシリコンに対して選択的であり、前記第２のエッチング・プロセスが、シリコンに比べて二酸化シリコンに対して選択的であることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１のエッチング・プロセスが、酸化シリコンに比べて窒化シリコンに対して選択的であり、前記第２のエッチング・プロセスが、窒化シリコンに比べて酸化シリコンに対して選択的であることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記トレンチを充填するステップが無電解めっきプロセスを用いるステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４１】
前記トレンチを充填するステップが電気めっきプロセスを用いるステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４２】
前記トレンチ材料を充填するステップが前記トレンチに犠牲材料を充填するステップを備え、前記犠牲材料をエッチングにより除去するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４３】
データ・トラックを備えた磁気シフト・レジスタを製造する方法であって、
絶縁体基板に２つの下部トレンチをエッチングするステップと、
前記２つの下部トレンチに導電性トレンチ材料を充填して、前記データ・トラックの上部に導電性パッドを形成するステップと、
前記絶縁体基板および前記２つの下部トレンチ材料の上に多層スタック構造を形成するステップと、
前記多層スタック構造を貫通するように２つのバイアを形成して前記２つの下部トレンチを露呈させるステップと、
前記多層スタック構造に、前記２つのバイアを接続する上部トレンチを形成するステップと、
前記２つのバイアおよび前記上部トレンチに磁気材料を充填して、前記データ・トラックのデータ領域、中央領域、および蓄積部を形成するステップと、
を備えることを特徴とする、方法。
【請求項４４】
前記多層スタック構造を形成するステップが、交互の材料ＡおよびＢで前記多層スタック構造を形成するステップを備えることを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記絶縁体基板および前記２つの下部トレンチの上に底部保護キャッピング層を形成するステップを更に備えることを特徴とする、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記底部保護キャッピング層が誘電体材料を含むことを特徴とする、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記底部保護キャッピング層が窒化シリコンを含むことを特徴とする、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記底部保護キャッピング層の厚さが約１０および５００ｎｍの間の範囲であることを特徴とする、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記２つのバイアを形成する前に、前記多層スタック構造の上に上部保護キャッピング層を形成するステップを更に備えることを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５０】
前記２つのバイアを形成するステップが、非選択的なエッチング・プロセスを用いて前記多層スタック構造に前記２つのバイアをエッチングするステップを備えることを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５１】
前記バイアが内側の壁を備え、前記２つのバイアを形成するステップが、選択的なエッチング・プロセスを用いて、材料Ｂよりも速く材料Ａを選択的にエッチングすることにより、前記バイアの前記内側の壁を選択的にエッチングするステップを更に備えることを特徴とする、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記２つのバイアに均質な磁気材料を充填するステップを更に備えることを特徴とする、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記均質な磁気材料が、強磁性体材料およびフェリ磁性体材料から成る群から選択されることを特徴とする、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記多層スタック構造を貫通するように２つの導体バイアを形成して前記２つの下部トレンチを露呈させるステップを更に備えることを特徴とする、請求項４４に記載の方法。
【請求項５５】
前記２つの導体バイアに導電性材料を充填するステップを更に備えることを特徴とする、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記２つの下部トレンチをエッチングするステップが、前記絶縁体基板に前記２つの下部トレンチの形状をパターニングするステップを備えることを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５７】
データ・トラックを備えた磁気シフト・レジスタを製造する方法であって、
絶縁体基板にトレンチをエッチングするステップと、
前記トレンチにトレンチ材料を充填して中央領域を形成するステップと、
前記絶縁体基板および前記トレンチ材料の上に均一層を形成するステップと、
前記均一層を貫通するように２つのバイアを形成して前記中央領域を露呈させるステップと、
前記２つのバイアに磁気材料の交互の層を充填してデータ領域および蓄積部を形成し、これによって前記データ領域、前記中央領域、および前記蓄積部が前記データ・トラックを形成するようにするステップと、
を備えることを特徴とする、方法。
【請求項５８】
前記２つのバイアに磁気材料の交互の層を充填するステップが、前記バイアの各々に少なくとも２つの交互の材料を充填するステップを備えることを特徴とする、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記２つのバイアを形成するステップが、非選択的なエッチング・プロセスを用いて前記均一層に前記２つのバイアをエッチングするステップを備えることを特徴とする、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記２つの交互の材料が、強磁性体材料およびフェリ磁性体材料から成る群から選択されることを特徴とする、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記均一層が約１０ミクロンの厚さを有することを特徴とする、請求項５７に記載の方法。
【請求項６２】
前記均一層が少なくとも約１０ミクロンの厚さを有することを特徴とする、請求項５７に記載の方法。
【請求項６３】
前記均一層の上に保護キャッピング層を形成するステップを更に備えることを特徴とする、請求項５７に記載の方法。
【請求項６４】
前記保護キャッピング層が窒化シリコンを含むことを特徴とする、請求項５７に記載の方法。
【請求項６５】
前記絶縁体基板に前記トレンチをエッチングするステップが、前記絶縁体基板に前記トレンチの形状をパターニングするステップを備えることを特徴とする、請求項５７に記載の方法。
【請求項６６】
前記均一層が、シリコンおよび誘電体材料から成る群から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項５７に記載の方法。
【請求項６７】
前記均一層が、二酸化シリコンおよび窒化シリコンから成る群から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項５７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、「ShiftableMagnetic Shift Register and Method of Using the Same」と題する同時係属中の米国特許出願連続番号第１０／４５８，５５４号、および、「Systemand method for Writing to a Magnetic Shift Register」と題する連続番号第１０／４５８，１４７号に関する。これらは双方とも、２００３年６月１０日に出願され、引用により、その全体が本願にも関連するものとする。
【０００２】
本発明は、一般に、メモリ保存システムに関し、具体的には、磁区の磁気モーメントを用いてデータを保存するメモリ保存システムに関する。特に、本発明は、磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスにおいて用いる磁気データ・トラックを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２つの最も一般的な従来の不揮発性データ保存デバイスは、ディスク・ドライブおよび固体ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）である。ディスク・ドライブは、大量すなわち１００ＧＢを超えるデータを安価に保存することができる。しかしながら、ディスク・ドライブは本来、信頼性が低い。ハード・ドライブは、固定した読み取り／書き込みヘッドおよび移動媒体を備え、この移動媒体上にデータを書き込む。移動部品を有するデバイスは、摩耗および故障が生じやすい傾向がある。固体ランダム・アクセス・メモリは、現在、デバイス当たり約１ＧＢ（ギガバイト）のデータを保存し、ディスク・ドライブに比べ、保存ユニット当たり比較的高価である。
【０００４】
固体ＲＡＭの最も一般的なタイプは、フラッシュ・メモリである。フラッシュ・メモリは、トランジスタのオン−オフ制御ゲートの下の酸化物に配置された薄いポリシリコン層を利用する。このポリシリコン層は、浮動ゲートであり、シリコンによって制御ゲートおよびトランジスタ・チャネルから分離している。フラッシュ・メモリは、速度が比較的遅く、読み取りおよび書き込み時間は約１マイクロ秒である。更に、フラッシュ・メモリのセルは、１００万回未満の書き込みサイクルの後にデータを喪失し始める可能性がある。これは、用途によっては充分である場合もあるが、フラッシュ・メモリ・セルは、コンピュータのメイン・メモリにおけるように絶えず新しいデータの書き込みに用いられると、短時間で故障し始めることがある。更に、フラッシュ・メモリのアクセス時間は、コンピュータ用途では、あまりにも長すぎる。
【０００５】
ＲＡＭの別の形態は、強誘電体ＲＡＭ（ferroelectricRAM）すなわちＦＲＡＭである。ＦＲＡＭは、強誘電体ドメインが示す方向に基づいてデータを保存する。ＦＲＡＭは、フラッシュ・メモリよりもはるかにアクセス時間が速く、標準的なダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）よりもエネルギ消費が小さい。しかしながら、市販のメモリの容量は現在、約０．２５ＭＢ（メガバイト）と小さい。更に、ＦＲＡＭにおけるメモリ保存は、物理的に移動する原子に頼っており、結果として媒体の劣化およびメモリの故障を招く。
【０００６】
更に別の形態のＲＡＭは、相変化メモリ（ＯＵＭ：OvonicUnified Memory）であり、結晶およびアモルファス相間で交番する材料を利用してデータを保存する。この用途において用いられる材料は、カルコゲニド合金（chalcogenide alloy）である。カルコゲニド合金が加熱および冷却サイクルを経た後、これを、多結晶およびアモルファスという２つの安定相のうち１つを受け入れるようにプログラムすることができる。２相の各抵抗の差によって、カルコゲニド合金をメモリ保存装置として用いることが可能となる。データ・アクセス時間は約５０ｎｓである。しかしながら、これらのメモリのサイズはまだ小さく、現在、約４ＭＢである。更に、ＯＵＭは、結晶からアモルファスに材料を物理的に変化させることに頼っているので、結局は材料が劣化したり故障したりする可能性が高い。
【０００７】
半導体磁気抵抗ＲＡＭ（ＭＲＡＭ：magnetoresistiveRAM）は、材料の磁気モーメントの方向を利用することによって、強磁性体材料においてデータ・ビットを符号化する。強磁性体の原子は、外部の磁界に応答し、それらの磁気モーメントを印加された磁界の方向に整列させる。磁界を取り除くと、原子の磁気モーメントは、誘導された方向に整列したままである。反対の方向に磁界を印加すると、原子は新しい方向に再整列する。通常、強磁性体材料のボリューム内の原子の磁気モーメントは、磁気交換相互作用によって相互に並列に整列する。次いで、これらの原子は、概ね１つのマクロ磁気モーメントまたは磁区として、外部の磁界に対して共に応答する。
【０００８】
ＭＲＡＭに対する１つの手法は、メモリ・セルとして磁気トンネル接合（magnetic tunneling junction）を用いる。磁気トンネル接合は、薄い絶縁材料によって分離した２層の強磁性体材料から成る。磁区の方向は、１つの層では固定されている。第２の層では、磁区の方向は、印加された磁界に応答して動くことができる。この結果、第２の層の磁区の方向は、第１の層に対して平行または逆であり、１およびゼロの形態でデータを保存することが可能となる。しかしながら、現在利用可能なＭＲＡＭは、１Ｍｂ（メガバイト）まで保存することができるのみであり、ほとんどのメモリ用途に必要なものよりはるかに少ない。もっと大きなメモリは、現在、開発段階である。更に、各ＭＲＡＭメモリ・セルは、１ビット・データを保存できるだけであり、このため、かかるデバイスの可能な最大メモリ容量が制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
磁気シフト・レジスタは、磁気記録ハード・ディスク・ドライブ、ならびに、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＦｅＲＡＭ、およびＭＲＡＭ等の多くの固体メモリを含むがこれらに限定されない多くの従来のメモリ・デバイスに取って代わる。磁気シフト・レジスタは、従来のメモリ・デバイスにおいて与えられるものに匹敵する大容量の保存を提供するが、移動部品を全く用いず、コストはハード・ディスク・ドライブと同程度である。
【００１０】
簡潔に言えば、磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスは、強磁性体材料における磁壁の固有かつ天然の性質を用いてデータを保存する。磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスは、１つの読み取り／書き込みデバイスを利用して、約１００ビット以上という多数ビットのデータにアクセスする。従って、小数の論理要素で、何百ビットものデータにアクセスすることができる。
【００１１】
磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスは、スピンに基づいたエレクトロニクス（spin-based electronics）を用いて、強磁性体材料におけるデータの書き込みおよび読み取りを行うので、磁気シフト・レジスタの材料の物理的性質は不変である。シフト可能磁気シフト・レジスタは、強磁性体材料から成る材料の細いワイヤまたは細片で形成されたデータ・トラックを備える。ワイヤは、物理的に均一で磁気的に均質な強磁性体材料または異なる強磁性体材料の層から成るものとすることができる。情報は、トラックにおける磁区内の磁気モーメントの方向として保存される。ワイヤは、ある方向または別の方向に小さいセクション単位で磁化することができる。
【００１２】
トラックに電流を印加して、トラックに沿って電流の方向に、読み取りまたは書き込み要素またはデバイスを超えて磁区を移動させる。磁壁を有する磁気材料において、磁壁を通過した電流は、電流の方向に磁壁を移動させる。電流が磁区を通過すると、これは「スピン偏極」になる。このスピン偏極電流が、磁壁を超えて次の磁区へと移動すると、これはスピン・トルクを生じる。このスピン・トルクが磁壁を移動させる。磁壁速度は極めて速く、約１００から５００ｍ／秒である。
【００１３】
要約すると、トラック（交互の方向の一連の磁区を有する）を通過した電流が、読み取りおよび書き込み要素を超えてこれらの磁区を移動させることができる。そして、読み取りデバイスは、磁気モーメントの方向を読み取ることができる。書き込みデバイスは、磁気モーメントの方向を変えることによって、トラックに情報を書き込むことができる。
【００１４】
磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスを構築するために必要な磁気データ・トラックを製造するための改良した方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、この必要性を満足させ、磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスを構築するために必要な磁気データ・トラックを製造するための方法を提示する。
【００１６】
磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスは、読み取りおよび書き込み要素を備えた平面に概ね垂直な磁気ワイヤにおける情報の保存を含む。これらの読み取りおよび書き込み要素は、従来のＣＭＯＳ技術を用いて構築する。磁気シフト・レジスタ・メモリでは、従来のＣＭＯＳメモリに比べて１００倍の密度向上が期待される。磁気ワイヤは、背が高く（約１０ミクロン）幅の狭い（約０．１ミクロン）柱として形成することができ、柱の１端部でこれらの柱の２つの間を接続する。
【００１７】
磁気データ・トラックは、シリコンまたは誘電体から形成された異なる材料で交互の層の多層スタックを形成することによって製造する。この多層スタック構造に、約１から１０ミクロンの高さで、縦が約１００ｎｍで横が約１００ｎｍの断面を有するバイアをエッチングする。バイアは、楕円、矩形、方形、または他のいずれかの所望もしくは適切な形状の断面を有することができる。これらの寸法のバイアを作成するための製造技法は、ＤＲＡＭが用いるトレンチ・キャパシタを製造するために用いられる技法に基づく。これらのトレンチ・キャパシタを製造するための従来の技法は、約９から１０ミクロンの深さおよび約０．１ミクロンの断面という寸法を達成している。米国特許番号第６，５４４，８３８号および第６，２８４，６６６号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。
【００１８】
１つの実施形態では、非選択的なエッチングによりバイアをエッチングして、円滑な壁を有するバイアを形成することができる。交互のタイプの強磁性体またはフェリ磁性体金属の層を電気めっきすることによって、バイアを充填する。各層の厚さは、例えば約５０ｎｍおよび５００ｎｍの間とすることができる。交互の強磁性体またはフェリ磁性体層は、異なる磁化または磁気交換または磁気異方性を有する磁気材料から成る。これらの異なる磁気特性によって、これらの層の間の境界またはこれらの層の１つの内部に磁壁を固定することができる。
【００１９】
別の実施形態では、バイアを非選択的にエッチングした後に、選択的なエッチングを実行する。この選択的なエッチングにより、多層スタック構造における材料の層を、他の材料の層よりも高いレートで除去して、バイアの壁にノッチまたは突出を形成する。
【００２０】
バイアに、例えば電気めっきまたは化学的気相堆積法（ＣＶＤ）によって、均質な強磁性体材料を充填する。磁壁は、バイアの壁に沿ってノッチまたは突出に生じる強磁性体または強磁性体材料における切れ目の付近に形成される。
【００２１】
データ・トラックに沿って磁壁を移動させるために電流を注入する目的で、各データ・トラックの各端部に電流リード線を接続する手段を提供する。
【００２２】
本発明の様々な特徴およびそれらを達成する方法を、以下の記載、特許請求の範囲、および図面を参照して、更に詳細に説明する。図面において、適宜、参照番号を再利用して、参照した要素間の対応を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下の定義および説明は、本発明の技術分野に関連する背景情報を提供し、その範囲を限定することなく本発明の理解を容易にすることを意図している。
【００２４】
均質の磁気材料とは、磁気材料の連続的なボリュームを意味し、これは複雑な形状を有する場合があり、磁化、磁気異方性、磁気交換、および磁気減衰等の磁気特性は、ボリューム内の位置とは無関係に、名目上は同一である。
【００２５】
不均質の磁気材料とは、磁気材料の連続的なボリュームを意味し、これは複雑な形状を有する場合があり、例えば材料組成の変化のため、および／またはこの材料の堆積中または材料を堆積した後に材料に作用する何らかの物理的プロセスのため、磁化、磁気異方性、磁気交換、および磁気減衰等の磁気特性は、ボリューム内の位置と共に変動する場合がある。
【００２６】
図１および図２は、磁気メモリ・システム１００の例示的な高レベルのアーキテクチャを示し、これは、書き込みデバイス（本明細書中では、書き込み要素とも呼ぶ）１５および読み取りデバイス（本明細書中では、読み取り要素とも呼ぶ）２０を利用する磁気シフト・レジスタ１０を備えている。読み取りデバイス２０および書き込みデバイス１５は、双方とも、システム１００の読み取り／書き込み要素を形成する。
【００２７】
磁気シフト・レジスタ１０は、好ましくは強磁性体または強磁性体材料から成る細いデータ・トラック１１を備えている。データ・トラック１１は、ある方向または別の方向に、小さいセクションすなわち磁区単位で磁化することができる。情報は、データ・トラック１１における磁区２５、３０等の領域に保存される。トラックが作製される磁気材料の配列パラメータ、すなわち磁化方向または磁気モーメントの方向は、方向ごとに変わる。この磁気モーメントの方向のばらつきは、データ・トラック１１に情報を保存するための基礎を形成する。
【００２８】
１つの実施形態では、磁気シフト・レジスタ１０は、中央領域４２によって連結されたデータ領域３５および蓄積部４０を備えている。データ領域３５は、データを保存する磁区２５、３０等の１組の連続した磁区を備える。蓄積部４０の形態で、磁気シフト・レジスタ１０に、追加の長さを与える。
【００２９】
蓄積部４０は、充分に長く形成して、中央領域４２において磁区の書き込みおよび読み取りを行う目的のため、データ領域３５内の磁区をデータ領域３５から中央領域４２を介して書き込み要素１５および読み取り要素２０を通って完全に移動させた場合に、全ての磁区を収容するようになっている。このため、いずれかの所与の時点では、磁区は、一部がデータ領域３５に、一部が蓄積部４０に保存されるので、保存要素を形成するのは、データ領域３５、蓄積部４０、および中央領域４２の組み合わせである。１つの実施形態では、蓄積部４０は、休止状態では磁区を有しない。
【００３０】
このため、いずれかの所与の時点で、データ領域３５は、磁気シフト・レジスタ１０の異なる部分内に位置することができ、蓄積部４０は、データ領域３５の両側の２つの領域に分割させることができる。データ領域３５は１つの連続的な領域であり得るが、データ領域３５がシフト・レジスタ１０内のどこに位置していようとも、データ領域３５内の磁区の空間的な分布および範囲は、ほぼ同一とすることができる。別の実施形態では、特に読み取り要素２０および書き込み要素１５を通ってこの領域が移動する間、保存領域の部分を拡大することができる。データ領域３５の一部または全体を蓄積部４０内に移動させて、特定の磁区のデータにアクセスする。
【００３１】
図１に示す蓄積部４０は、データ領域３５とほぼ同じサイズを有する。しかしながら、他の代替的な実施形態では、蓄積部４０がデータ領域３５とは異なるサイズを有することも可能である。１例として、各磁気シフト・レジスタ１０ごとに、２つ以上の読み取り要素２０および書き込み要素１５を用いる場合、蓄積部４０をデータ領域３５よりもはるかに小さくすることができる。例えば、１つの磁気シフト・レジスタ１０について２つの読み取り要素２０および２つの書き込み要素１５を用い、データ領域３５の長さに沿って等しく配置した場合、蓄積部４０は、データ領域３５のほぼ半分の長さしか必要としない。
【００３２】
データ・トラック１１に電流４５を印加して、データ・トラック１１に沿って、更に読み取りデバイス２０または書き込みデバイス１５を超えて、磁区２５、３０内の磁気モーメントを移動させる。磁壁を有する磁気材料では、磁壁を通過した電流は、電流の方向に磁壁を動かす。電流が磁区を通過すると、これは「スピン偏極」になる。このスピン偏極電流が、介在する磁壁を通って次の磁区内に移動すると、スピン・トルクを生じる。このスピン・トルクが磁壁を動かす。磁壁の速度は極めて速く、すなわち約１００から数百ｍ／秒であるので、特定の磁区を読み取る目的のため、または書き込み要素によってその磁気状態を変化させるためにこの磁区を必要な位置に動かすプロセスを、極めて短くすることができる。
【００３３】
磁区２５、３０、３１等の磁区を、書き込みデバイス１５および読み取りデバイス２０上で前後に移動させ（シフトさせ）て、図３、４、５に示すように、蓄積部４０の内部および外部にデータ領域３５を移動させる。図３の例では、データ領域３５は、最初は磁気シフト・レジスタ１０のくぼみ部分すなわち中央領域４２の左側にあり、蓄積部４０に磁区は存在しない。図５は、データ領域３５が全体的に磁気シフト・レジスタ１０の右側にある場合を示す。
【００３４】
磁区３１等の特定の磁区にデータを書き込むために、磁気シフト・レジスタ１０に電流４５を印加して、書き込みデバイス１５上に、かつ書き込みデバイス１５とアラインメントするように、磁区３１を移動させる。磁気シフト・レジスタ１０に電流を印加すると、データ領域３５の全ての磁区が動く。
【００３５】
磁区の移動は、電流の大きさおよび方向ならびに電流を印加する時間の双方によって制御される。１つの実施形態では、指定した形状（大きさ対時間）および持続時間の１つの電流パルスを印加して、１増分またはステップだけ、保存領域において磁区を移動させる。一連の電流パルスを印加することで、必要な増分またはステップ数だけ磁区を移動させる。このため、データ領域３５のシフトした部分２０５（図４）は、蓄積部領域４０内に押し出される（シフトまたは移動される）。
【００３６】
データ・トラック１１内の磁区の移動方向は、印加した電流の方向に依存する。電流パルスの長さは、２〜３００ピコ秒から数十ナノ秒の範囲とすることができ、電流の大きさに依存する。電流の大きさが大きくなるほど、必要な電流パルスの長さは短くなる。また、電流パルスの形状（すなわちパルスにおける電流対時間の詳細な依存関係）は、磁壁の最適な移動を達成するように調節することができる。電流パルスの形状は、トラックの強磁性体材料の詳細な特質に関連付けて適正に設計して、次の最大位置を超えて移動するような多大なエネルギまたは推進力を有することなく、磁壁をある位置から次の位置に移動させるようにしなければならない。
【００３７】
磁区２５等の特定の磁区においてデータを読み取るために、磁気シフト・レジスタ１０に追加の電流を印加して、読み取りデバイス２０上に、かつ読み取りデバイス２０とアラインメントするように、磁区２５を移動させる。データ領域３５のもっと大きなシフト部分が、蓄積部４０内に押し出される（シフトまたは移動される）。
【００３８】
図１から図５に示す読み取りデバイス２０および書き込みデバイス１５は、読み取りデバイス２０および書き込みデバイス１５を配列する基準面を確定する制御回路の一部を形成する。１つの実施形態では、磁気シフト・レジスタ１０は、この基準面に概ね直交して、基準面の外側に垂直に直立する。
【００３９】
磁気シフト・レジスタ１０を動作させるため、制御回路は、読み取り要素２０および書き込み要素１５の他に、様々な目的のための論理および他の回路を備えている。その様々な目的には、読み取り要素２０および書き込み要素１５の動作、磁気シフト・レジスタ１０内で磁区を移動させるための電流パルスの供給、および磁気シフト・レジスタ１０におけるデータの符号化および復号の手段が含まれる。１つの実施形態では、制御回路は、シリコン・ウエハ上のＣＭＯＳプロセスを用いて製造される。好ましくは、磁気シフト・レジスタ１０は、できるだけ低いコストを維持するため最小のシリコン面積を用いながらメモリ・デバイスの保存容量を最大化するように、シリコン・ウエハ上に小さい設置面積を有するように設計する。
【００４０】
図１から図３に示す実施形態では、磁気シフト・レジスタ１０の設置面積は、読み取り要素２０および書き込み要素１５によって占められるウエハの面積によって概ね決定する。このため、磁気シフト・レジスタ１０は、ウエハ面の外側の方向に主に延出するデータ・トラック１１で構成される。垂直方向のデータ・トラック１１の長さは、磁気シフト・レジスタ１０の保存容量を決定する。垂直範囲は、水平方向のデータ・トラック１１の範囲よりもはるかに大きくすることができるので、水平面において磁気シフト・レジスタ１０が占める面積が極めて小さいにもかかわらず、何百もの磁気ビットを磁気シフト・レジスタ１０に保存することができる。このため、磁気シフト・レジスタ１０は、従来の固体メモリと比較して、同一のシリコン・ウエハ領域に対して、もっと多くのビットを保存することができる。
【００４１】
磁気シフト・レジスタ１０のデータ・トラック１１は、読み取り要素２０および書き込み要素の面（回路面）に概ね直交しているように図示するが、これらのデータ・トラック１１は、一例として、密度を高める目的のため、またはこれらのデバイスの製造を容易にするため、この基準面に対してある角度で傾斜させることができる。
【００４２】
図６に、磁気シフト・レジスタ１０を動作させる方法３００を示し、更に図３、４、５を参照する。図３を参照すると、メモリ・システム１００は、ブロック３０５において、書き込みデバイス１５または読み取りデバイス２０のいずれかまで磁区２５を移動させるために必要なビット数を決定する。また、ブロック３１０において、メモリ・システム１００は、磁区２５を移動させるために必要な方向を決定する。図３において、磁区２５は、書き込みデバイス１５および読み取りデバイス２０の左側にある。例えば、磁区２５を右に移動させるために、正の電流４５が必要であり、磁区２５を左に移動させるために、負の電流４５が必要である場合がある。
【００４３】
次いで、ブロック３１５において、メモリ・システム１００は、所望の電流４５を磁気シフト・レジスタ１０に印加する。電流４５は、１つのパルスまたは一連のパルスであり、磁区２５を１度に１ビットずつ移動させることができる。また、パルス内の電流の持続時間の長さもしくは大きさ、またはパルス形状（パルス内の電流対時間）を変えて、１つのパルスを印加する間に、データ領域３５内の磁区２５を数増分だけ移動させることも可能である。ブロック３２０において、データ領域３５の磁区は、電流４５に応答して移動する。磁区２５は、所望のデバイスすなわち書き込みデバイス１５または読み取りデバイス２０において停止する（ブロック３２５）。
【００４４】
図７および図８を参照すると、代替的な磁気シフト・レジスタ１０Ａは、図１から５に示す磁気シフト・レジスタ１０と同様とすることができるが、磁気シフト・レジスタ１０Ａ内の磁区の可能な位置を固定するために、交互の磁気層を備えている。磁区の可能な位置を固定することにより、指定した磁区が動いてしまうことを防ぐ。
【００４５】
磁気層は、様々な強磁性体またはフェリ磁性体材料から成るものとすることができる。これらの磁気材料は、主に、それらの磁化の大きさ（ボリューム当たりの磁気モーメント）、交換パラメータ、磁気異方性、および減衰係数に基づいて、適切に選択する。また、これらの材料の選択は、それらの製造しやすさ、および磁気シフト・レジスタを製造するために用いるプロセスとの適合性に左右される。
【００４６】
磁気シフト・レジスタ１０Ａの領域４０５に示すように、磁区４１０、４２０のためにあるタイプの磁気材料を用い、これらに交互に配置した磁区４１５、４２５のために異なるタイプの磁気材料を用いることができる。別の実施形態では、多数のタイプの磁気材料を、様々な材料の順序で使用可能である。
【００４７】
磁気シフト・レジスタ１０Ａにおける異なる強磁性体層の導入により、「ポテンシャル井戸（potential well）」と同様の局所的なエネルギ最小値が生じ、このため、異極性の磁区間の磁壁は、交互の強磁性体層４１０、４１５等の間の境界に並ぶ。このため、磁区の範囲およびサイズは、磁気層の厚さによって決定する。
【００４８】
磁気シフト・レジスタ１０Ａに印加される電流パルス４５によって、領域４０５内の磁区４１０、４１５、４２０、４２５は、電流４５の方向に移動する。しかしながら、電流パルス４５が充分な振幅および持続時間を有しなければ、磁区４１０、４１５、４２０、４２５は、２つの異なるタイプの磁気材料間の境界を超えて移動しない場合がある。従って、データ領域３５を１度に１ビット移動させることができ、磁区が所望の位置よりも先へ動くことは不可能となる。
【００４９】
磁区の可能な位置を固定することに加えて、異なる層の磁気材料を用いることによって、電流振幅およびパルス持続時間について許容差の増大が可能となる。この実施形態では、書き込みデバイス１５および読み取りデバイス２０上を通過する磁気シフト・レジスタ１０Ａの部分は、図９に示すように均質の磁気材料または図７に示すように異なる磁気材料の層とすることができる。
【００５０】
交互の磁気領域４１０、４２０等および４１５、４２５等の長さは、異なる場合がある。更に、磁気領域４１０、４２０等および４２０、４２５等の各タイプの長さは、磁気シフト・レジスタ１０Ａ全体を通して同一であることが好ましいが、これは必須ではなく、これらの長さは、磁気シフト・レジスタ１０Ａ全体でいくらか変動し得る。重要なことは、ポテンシャルによって、電流パルスが誘導した電流誘導移動に対して画定した位置に磁区を固定することである。
【００５１】
図１０および図１１を参照すると、均質の磁気材料から成る別の磁気シフト・レジスタ１０Ｂは、データ・トラック１１の幅または面積を物理的に変えることによって、不均質にすることができる。磁気シフト・レジスタ１０Ｂを物理的に整形することによって、磁気シフト・レジスタ１０Ｂ内で局所的エネルギ最小値を作成することができる。
【００５２】
図１０および図１１の整形手法では、磁気シフト・レジスタ１０Ｂの強磁性体材料に、切れ込み５０５、５０６等の切れ込みを設ける。切れ込み５０５、５０６は、開放しても良いし、または、金属もしくは絶縁性とすることができる材料を充填しても良い。
【００５３】
１つの実施形態では、これらの切れ込み５０５、５０６は均等な間隔で配置することができる。別の実施形態では、これらの切れ込み５０５、５０６間の間隔は、磁気シフト・レジスタ１０Ｂの長さに沿って非均等とすることができる。切れ込み５０５、５０６は、データ・トラック５１１の各側で相互にアラインメントする。
【００５４】
データ・トラック５１１の一方側のみに切れ込みを有する磁気シフト・レジスタを製造することが好都合である場合がある。これらの切れ込み５０５、５０６を用いて磁壁を固定するので、データ・トラック５１１の一方側の１つのみの切れ込みにより、充分な固定ポテンシャルを供給することができる。切れ込みは、図１０および図１１に示すデータ・トラック５１１の４つの側面のうちいずれかの１つまたは２つまたはそれ以上に配することができる。また、製造を容易にするため、切れ込みは、トラックに沿って連続した固定位置を得るように、側面ごとに交互に設けることも可能である（例えば、全ての切れ込みをトラックの単一側面上に配置することによって可能になるよりも、トラックに沿ってもっと高密度の１組の固定位置を形成するため）。
【００５５】
別の実施形態では、切れ込み５０５、５０６の代わりに、データ・トラック５１１の幅を局所的に大きくし狭くない突出を設ける。必要なのは、磁壁について局所的ポテンシャルを変えることによって磁区を固定する手段である。
【００５６】
更に別の実施形態では、データ・トラック５１１の幅または面積を連続した領域で交互に形成して、データ・トラック５１１が互い違いの幅または面積の領域から成るようにする。
【００５７】
磁気シフト・レジスタ１０Ｂでは、その長さに沿って切れ込みもしくは突出または交互の磁気領域を均一に形成する必要はない。磁気シフト・レジスタ１０Ｂには、充分な数のこのような固定位置を形成して、データ領域３５が、電流パルス当たり１増分だけ、または指定した数の増分だけ移動するようになっていれば良い。例えば、Ｎ個の磁区当たり１つのみの固定位置で充分である場合がある。ここで、Ｎは２以上とすることができる。
【００５８】
蓄積部４０は、これらの切れ込みを含む場合もあるし含まない場合もある。書き込みデバイス１５および読み取りデバイス２０を横切る磁気シフト・レジスタ１０Ｂの底部５１０は、これらの切れ込み５０５、５０６を含む場合もあるし含まない場合もある。
【００５９】
更に別の実施形態では、磁気シフト・レジスタ１０Ｂは、切れ込み５０５、５０６を有する異なる強磁性体材料の組み合わせから成り、磁気シフト・レジスタ１０Ａおよび１０Ｂの特徴を結び付ける。
【００６０】
一般的に、磁気シフト・レジスタ１０のデータ・トラック１１は、交互のシリコンおよび／または誘電体材料の層から成る多層スタックを形成することによって製造される。この交互のシリコンまたは誘電体層の多層スタックに、高さが０．５から１０ミクロンであり、断面が縦約１００ｎｍ横１００ｎｍであるバイアをエッチングする。全体を通して寸法を提示するが、これらの寸法は例示の目的のためのみに与えられ、本発明はこれらの値または寸法に限定されないことは理解されよう。例えば、バイアの高さは約０．５ミクロンおよび約１０ミクロンの間の範囲を取ることができる。バイアの断面は、縦約１０ｎｍ横１０ｎｍ間、および縦約１ミクロン横１ミクロンの範囲を取ることができる。次いで、これらのバイアに、強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して、図１の磁気シフト・レジスタ１０のデータ・トラック１１のデータ領域３５および蓄積部４０を形成する。
【００６１】
バイアは、楕円、矩形、または方形の断面を有することができる。単一のシリコン層の場合、ＤＲＡＭが用いるトレンチ・キャパシタに基づいてこれらの寸法のバイアを作成するための製造技法が存在する。これらのトレンチ・キャパシタを製造するための従来の技法は、深さ約１から１０ミクロンおよび断面が約０．１ミクロンの寸法を達成している。米国特許第６，５４４，８３８号、第６，２８４，６６６号、第５，８１１，３５７号、第６，３４５，３９９号を参照のこと。これらは、引用により本願にも含まれるものとする。これらの製造技法を用いて、図１２から図３２に示す磁気シフト・レジスタ１０のデータ・トラック１１を製造する。
【００６２】
図１２から図１４は、データ・トラック１１の底部すなわち中央領域４２を形成する実施形態を示す。例えば二酸化シリコンまたは窒化シリコン等の絶縁体６０５を、厚さ約３００ｎｍに形成する。絶縁体６０５にフォトレジストを塗布して、矩形６１０の形状にパターニングする。標準的なエッチング技法を用いて、矩形６１０を深さ約２００ｎｍにエッチングして、トレンチ６１５を形成する。窒化シリコン・エッチングのプロセスに関するこれ以上の詳細については、米国特許番号第６，０５１，５０４号を、二酸化シリコン・エッチングのプロセスに関するこれ以上の詳細については、米国特許番号第５，８１１，３５７号を参照のこと。これらは、引用により本願にも含まれるものとする。
【００６３】
図１４において、トレンチ６１５にある材料を充填して、ブロック６２０を形成する。ブロック６２０は、例えば、強磁性体材料およびフェリ磁性体から成る群から選択された、中央領域４２に対応する均質の磁気材料から成るものとすることができる。この場合、ブロック６２０を平坦化し研磨する。ブロック６２０において用いられる例示的な強磁性体またはフェリ磁性体材料は、パーマロイ、ニッケル−鉄合金、コバルト−鉄合金、Ｎｉ、Ｃｏ、およびＦｅのうち１つ以上から形成された合金、Ｎｉ、Ｃｏ、およびＦｅおよび他の元素、例えばＢ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔ等のうち１つ以上から形成された合金である。あるいは、ブロック６２０は、例えば、図７の領域４１０、４２０、および４１５、４２５に示すものと同様の、異なる強磁性体またはフェリ磁性体材料の交互の領域から成る不均質の磁気材料から形成することも可能である。これらの領域は、図１２から図１５に図示しない追加の処理ステップによって形成することができる。この追加の処理ステップには、追加のリソグラフィ、パターニング、エッチング、例えばめっきまたはスパッタ堆積またはＣＶＤを用いた材料堆積、および平坦化ステップが含まれる場合がある。あるいは、ブロック６２０は、後にエッチングによって除去される犠牲材料を含むことも可能である。犠牲材料は、低圧化学的気相堆積の後に化学機械研磨により平坦化を行うことによって形成することができる。
【００６４】
次いで、絶縁体６０５の上に、例えば窒化シリコンである薄い誘電体層６２５を堆積して、底部キャッピング層として機能させ、必要であれば、以降のプロセス・ステップの間トレンチを保護することができる。底部キャッピング層の厚さは、約１０から５００ｎｍの間の範囲である。底部キャッピング層６２５は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。別の実施形態では、底部キャッピング層６２５は必要でない場合もある。
【００６５】
図１６は、２つのバイアを形成し、データ・トラック１１のデータ領域３５および蓄積部４０を作成することができる構造の製造を示す。多層スタック構造７０５は、交互のシリコン／誘電体または誘電体／誘電体材料（材料ＡおよびＢとして示す）で形成されている。材料ＡおよびＢは、エッチング特性を考慮して選択する。好適な実施形態では、材料Ａは二酸化シリコン（ＳｉＯ2）で、材料Ｂはシリコン（Ｓｉ）で構成される。あるいは、材料Ａは二酸化シリコン、材料Ｂは窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）を含む。
【００６６】
図１６の例では、層７１０、７１５、７２０等の第１組の層は、例えば二酸化シリコンのような材料Ａで形成される。層７２５、７２０、７３５等の第２組の層は、例えばシリコンまたは窒化シリコンのような材料Ｂで形成される。第１および第２の組の層は、様々な技法を用いて形成可能である。例えば、低圧化学的気相堆積法を用いて多結晶シリコン層を形成し、スパッタ堆積を用いてアモルファス・シリコン層を形成することができる。多層スタック構造７０５の上に、例えば窒化シリコンのような薄い誘電体層を堆積して、上部キャッピング層７４０として機能させることができる。上部キャッピング層７４０の厚さは、約１０から５００ｎｍの間の範囲である。上部キャッピング層は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。
【００６７】
材料Ａおよび材料Ｂは、異なるエッチング・レートを有するように選択し、バイアの壁にノッチまたは突出の形成を可能とする。図１６には等しい厚さで示すが、材料Ａおよび材料Ｂから形成される層は、異なる厚さを有する場合がある。
【００６８】
多層スタック構造７０５は、例えば、約１００層の材料Ａおよび材料Ｂの交互の層を含み、合計の厚さを例えば約０．５から１０ミクロン以上とすることができる。例えば層７１０、７１５、７２０、７２５、７３０、７３５を形成する材料Ａおよび材料Ｂの厚さは、データ・トラック１１のデータ領域３５または蓄積部４０における磁壁の分離距離に等しい。
【００６９】
材料Ａおよび材料Ｂをエッチングして、ノッチまたは突出を形成する。例えば材料Ａによって表される１つの材料の厚さは、データ・トラック１１における磁壁間の分離距離に対応する。例えば材料Ｂによって表される他の材料は、データ・トラック１１におけるデータ領域３５または蓄積部４０のノッチまたは突出を形成する。かかるデータ・トラック１１の構成は、図１０および図１１に示されている。層７１０、７１５、７２０、７２５、７３０、７３５によって表される層Ａおよび層Ｂは等しい厚さで示すが、実際には、それらは極めて異なる厚さである場合がある。各ノッチまたは突出の幅は、約５ｎｍから１００ｎｍの間の範囲とすることができる。
【００７０】
図１７、１８、１９、２０、および２１は、多層スタック構造７０５におけるバイア８０５、８１０の形成を示す。材料Ｂ（すなわち層７２５、７３０、７３５）としてシリコンを利用する実施形態では、バイア８０５、８１０の側壁を酸化させて、二酸化シリコンの薄い絶縁層を形成する（厚さは約３ｎｍから３０ｎｍの間の範囲である）。バイア８０５、８１０に、均質の強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して、データ・トラック１１のデータ領域３５および蓄積部４０を形成することができる。図１８に、バイア８０５、８１０に対して垂直に見た多層スタック構造７０５の断面図を示し、バイア８０５、８１０の方形の断面を例示する。バイア８０５、８１０は、他の様々な断面に形成することも可能である。例えば、図１９に示すバイア８０５Ａ、８１０Ａに示すような矩形の断面、図２０に示すバイア８０５Ｂ、８１０Ｂに示すような円形の断面、および図２１に示すバイア８０５Ｃ、８１０Ｃに示すような楕円の断面である。
【００７１】
図２２の断面図に示すように、バイア８０５、８１０は、多層スタック構造７０５を通して絶縁体６０５内のブロック６２０までエッチングする。図１７から図２１の例では、バイア８０５、８１０は、バイアをエッチングするプロセスによって、平坦で円滑な壁を有するように形成する。材料Ｂ（すなわち層７２５、７３０、７３５）がシリコンから成る実施形態では、二酸化シリコンに比べてシリコンに選択的なプロセスとシリコンに比べて二酸化シリコンに選択的なプロセスとで、ドライ・エッチング・プロセスを交互に行うことによって、バイア８０５、８１０を形成することができる。「選択的」という言葉は、エッチング液が、第２の材料よりも速く第１の材料をエッチングすることを示すために用いる。換言すると、二酸化シリコンに対して選択的なシリコンのためのドライ・エッチング・プロセスでは、より優れたエッチング制御を得るために、シリコンは、二酸化シリコンよりも速いレートでエッチングされる。二酸化シリコンに対して選択的なシリコンのためのドライ・エッチング・プロセスに関するこれ以上の詳細については、米国特許番号第６，５４４，８３８号および第６，２８４，６６６号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。シリコンに対して選択的な二酸化シリコンのためのドライ・エッチング・プロセスに関するこれ以上の詳細については、米国特許番号第６，２９４，１０２号および５，８１１，３５７号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。
【００７２】
材料Ａを酸化シリコンで形成し、材料Ｂを窒化シリコンで形成する場合、バイア８０５、８１０は、酸化シリコンよりも窒化シリコンを優先的にエッチングするプロセス（米国特許番号第６，４６１，５２９号および第６，０５１，５０４号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする）と、窒化シリコンよりも二酸化シリコンを優先的にエッチングするプロセス（米国特許番号第６，２９４，１０２号および第５，９２８，９６７号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする）とで、連続的に交互にドライ・エッチング・プロセスを行うことによって、同様に形成可能である。ブロック６２０が、強磁性体またはフェリ磁性体材料等の金属から成る場合、エッチング液がブロック６２０の材料内まで著しくエッチングする可能性は低い。バイア８０５、８１０を形成した後に、キャッピング層６２５をエッチングして、均質の強磁性体またはフェリ磁性体材料の底部すなわちブロック６２０に対するコンタクトを開放する。
【００７３】
バイア８０５、８１０をエッチングする前に、適切なエッチング液を用いてキャッピング層７４０をエッチングするか、または、層ＡおよびＢの材料の構成要素ならびに層７４０のものに応じて、層ＡまたはＢのためのエッチング液の一方を用いて、キャッピング層７４０をエッチングすることができる。交互のシリコンおよび／または誘電体層の多層スタック構造の最上層がシリコンから成る場合に、キャッピング層７４０を用いて、例えば、このスタックの上層の酸化を防ぐことができる。
【００７４】
図２３、２４、２５、２６、２７は、バイア８０５、８１０を形成した後に選択的なウエット・エッチング・プロセスを用いた結果を示す。図２３、２４、２５、２６、２７において、多層スタック構造７０５では、キャッピング層７４０も基板キャッピング層６２５も図示していない。選択的なウエット・エッチング・プロセスを用いることによって、材料Ａおよび材料Ｂを異なるレートでエッチングすることができる。１例として、酸化シリコンおよび窒化シリコンの双方に選択的に二酸化シリコンをウエット・エッチングするため、フッ化水素酸（ＨＦ）系の化学薬品（例えば緩衝または希釈ＨＦ）を使用可能であり、二酸化シリコンに選択的に窒化シリコンをウエット・エッチングするため、リン酸Ｈ3ＰＯ4系の化学薬品を使用可能である。
【００７５】
異なるレートでの材料Ａおよび材料Ｂのエッチングにより、バイア８０５、８１０の断面に規則的な変動が形成される。強磁性体またはフェリ磁性体で充填すると、バイア８０５、８１０の断面の変動は、データ・トラック１１のデータ領域３５または蓄積部４０に突出またはノッチを作成する。磁気材料トラック１１の突出またはノッチを用いて、データ領域３５および蓄積部４０において磁壁を固定することができる。バイア８０５、８１０のノッチまたは突出の構成は、磁気シフト・レジスタ１０のデータ・トラック１１の最適な性能を得るように選択される。具体的には、ノッチまたは突出の長さおよび深さならびにそれらの形状を変えて、磁壁の固定ポテンシャルを変動させることができる。
【００７６】
図２３は、バイア１００２の一部の断面を示し、材料Ａ（層１００４、１００８によって表す）のエッチングが材料Ｂ（層１００６、１０１０によって表す）よりも速く行われる選択的なエッチング・プロセスを例示する。バイア１００２に強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填すると、データ・トラック１１のデータ領域３５または蓄積部４０において、層１００４、１００８は突出を形成し、層１００６、１０１０はノッチを形成する。  
【００７７】
図２４は、バイア１０１２の部分の断面図を示し、ここでは、材料Ａ（層１０１４、１０１８によって表す）が材料Ｂ（層１０１６、１０２０によって表される）よりも遅くエッチングされる。バイア１０１２に強磁性体または強磁性体材料を充填すると、データ・トラック１１のデータ領域３５または蓄積部４０において、層１０１４、１０１８はノッチを形成し、層１０１６、１０２０は突出を形成する。
【００７８】
材料Ａ、材料Ｂ、およびエッチング・プロセスは、図２３および２４に示すような浅いノッチ、または図２５のバイア１０２２によって示すようなもっと深いノッチを設けるように選択することができる。材料Ｂ（層１０２６、１０３０によって表される）は、材料Ａ（層１０２４、１０２８によって表される）よりもはるかに速くエッチングする。
【００７９】
また、図２６および２７に示すように、材料Ａおよび材料Ｂの層の厚さは変動することがある。図２６は、材料Ａの層（層１０３４、１０３８によって表される）が材料Ｂの層（層１０３６、１０４０によって表される）よりも厚いバイア１０３２の断面を示す。バイア１０３２に強磁性体または強磁性体材料を充填すると、データ・トラック１１のデータ領域３５または蓄積部４０において、層１０３６、１０４０は薄い突出を形成し、層１０３４、１０３８は広いノッチを形成する。
【００８０】
図２７は、材料Ａの層（層１０４６、１０５０によって表される）が材料Ｂの層（層１０４４、１０４８によって表される）よりも薄いバイア１０４２の断面を示す。バイア１０４２に強磁性体または強磁性体材料を充填すると、データ・トラック１１のデータ領域３５または蓄積部４０において、層１０４６、１０５０は薄いノッチを形成し、層１０４４、１０４８は広い突出を形成する。
【００８１】
図２８、２９は、バイア１１０５、１１１０（多層スタック構造１１１５にエッチングされる）およびトレンチ１１２０を備えたデータ・トラック１１の１形態の断面を示す。トレンチ１１２０を作成するため、ブロック６２０に犠牲誘電体材料（図１２〜１５）を充填する。この材料は、バイア１１０５、１１１０を形成した場合にエッチングにより除去される。図２９に示す代替的な実施形態では、ブロック６２０は、バイア１１０５、１１１０を作成した後に残る強磁性体またはフェリ磁性体材料１１２５を備える。
【００８２】
図２８に示すように、材料Ａ（層１１３０、１１３５によって表される）は材料Ｂ（層１１４０、１１４５によって表される）よりも速いレートでエッチングされる。この結果、バイア１１０５、１１１０によって形成されるデータ・トラック１１は、規則的に離間したノッチおよび突出、ならびに、等しい厚さの材料Ａおよび材料Ｂの層を有することになる。
【００８３】
図３０、３１は、充填したバイア１２０５、１２１０および底部領域１２２０によって示すように、バイア１１０５、１１１０、およびトレンチ１１２０に強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填することによって作成されたトラック１２１５を示す。充填されたバイア１２０５はデータ領域３５に対応し、充填された１２１０は蓄積部４０に対応し、底部領域１２２０は中央領域４２に対応する。
【００８４】
バイア１１０５、１１１０、およびトレンチ１１２０は、例えば無電解めっきまたは電気めっきのような様々な方法によって充填することができる。無電解めっきのプロセスについては米国特許番号第３，７０２，２６３号を、電気めっきのプロセスについては米国特許番号第４，３１５，９８５号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。あるいは、ブロック１１２５は、バイア１１０５、１１１０を充填する前に、強磁性体またはフェリ磁性体材料等の磁気材料を含むことができる。ブロック１１２５の磁気材料は、バイア１１０５、１１１０を充填するために用いるものと同一である場合もあるし、そうでない場合もある。ブロック１１２５の金属は、無電解または電気めっきプロセスのためのシード層電極として使用可能である。電気めっきプロセスは無電解めっきプロセスよりもはるかに高速であるので、電気めっきプロセスを用いることが望ましい。電気めっきを実行するため、シード層電極にコンタクトを提供しなければならない。これは、犠牲ワイヤまたはコンタクト（図には示さない）を介して達成可能であり、またはバイア１１０５、１１１０の側壁上に堆積されたＡｌ等の極めて薄い金属層とすることができる。めっきプロセスが完了した後、側壁上のＡｌ金属を酸化させて、ほぼ３００Ｃの温度でトラックを加熱することにより、絶縁性である酸化アルミニウムを形成することができる。犠牲層が除去された図２８の場合は、バイアを充填する前に、化学的気相堆積法等のプロセスによって薄いシード層電極を堆積することができる。
【００８５】
図３２のプロセス・フローチャートによって、トラック１２１５を製造するための方法１３００を示す。ステップ１３０５では、絶縁体６０５を形成する（図１２）。ステップ１３１０では、絶縁体６０５上に矩形６１０をパターニングする（図１２）。ステップ１３１５において、矩形６１０をエッチングして、トレンチ６１５を形成する（図１３）。ステップ１３２０では、トレンチ６１５に、犠牲誘電体、強磁性体、またはフェリ磁性体材料を充填する（図１４）。次いで、ステップ１３２５において、トレンチ６２０をキャッピング層６２５によって被覆すると好ましい。
【００８６】
ステップ１３３０において、絶縁体６０５に、交互の材料Ａおよび材料Ｂの多層を加えて、多層スタック構造７０５を形成する（図１６）。多層スタック構造７０５は、例えば、約１００層の交互の材料ＡおよびＢを含み、合計の厚さは例えば約１０ミクロンとすることができる。ステップ１３３５では、多層スタック構造７０５の上部にキャッピング層７４０を形成する。
【００８７】
ステップ１３４０では、多層スタック構造７０５を貫通してブロック６２０まで、バイア８０５、５１０を非選択的にエッチングする（図１７から図２２）。ブロック６２０に犠牲誘電体材料を充填した場合、ステップ１３４０では、この犠牲誘電体材料もエッチングにより除去される（図１１）。
【００８８】
ステップ１３４５において、オプションの選択的エッチング・プロセスを用いて、ある材料を他のものよりも速く選択的にエッチングし、バイア８０５、８１０の壁にノッチおよび突出を形成することができる（図２３から図２９）。ステップ１３５０では、バイア８０５、８１０に強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填し（図３０、３１）、磁気シフト・レジスタ１０のデータ・トラック１１を形成する。
【００８９】
データ・トラック１１の製造の別の実施形態では、下部絶縁層に導電性パッドを形成し、多層スタック構造７０５の上層に中央領域４２を形成する。この製造プロセスを、図３３〜４７に図示する。
【００９０】
図３４、３５、３６、３７は、データ・トラック１１の底部におけるデータ領域３５および蓄積部４０に接続する導電パッドの製造を示す。例えば窒化シリコンまたは二酸化シリコン等の絶縁体１４０５を、約３００ｎｍの厚さに形成する。
【００９１】
絶縁体１４０５にフォトレジストを塗布し、矩形１４１０、１４１５の形態にパターニングする。標準的なエッチング技法を用いて、矩形１４１０、１４１５を約２００ｎｍの深さまでエッチングして、トレンチ１４２０、１４２５を形成する。窒化シリコン・エッチングのプロセスについては、米国特許番号第６，０５１，５０４号を、二酸化シリコンのエッチングのプロセスについては、米国特許番号第５，８１１，３５７号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。
【００９２】
図３５において、トレンチ１４２０、１４２５にある材料を充填して、ブロックすなわち底部パッド１４３０、１４３５を形成する。ブロック１４３０、１４３５は、導電性材料から成り、データ・ブロック１１の底部の導電性パッドを形成する。ブロック１４３０、１４３５に用いられる例示的な導電性材料は、導電シリコン、銅等である。あるいは、ブロック１４３０、１４３５は、後にエッチングにより除去される犠牲材料から成ることも可能である。犠牲材料は、例えば二酸化シリコンから成るものとすることができる。犠牲材料は、低圧化学的気相堆積法の後に化学機械研磨を行って平坦化することにより形成する。次いで、絶縁体１４０５の上部に、例えば窒化シリコンのような薄い誘電体層を堆積し、キャッピング層１４４０として機能させる。キャッピング層１４４０の厚さは、約１０および５００ｎｍの間の範囲である。キャッピング層１４４０は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。
【００９３】
図３７は、２つのバイアを形成し、データ・トラック１１のデータ領域３５および蓄積部４０を作成する構造の製造を示す。多層スタック構造１５０５は、交互に配された材料すなわち材料Ａおよび材料Ｂから形成される。材料ＡおよびＢは、シリコン／誘電体または誘電体／誘電体材料から形成される。好適な実施形態では、材料Ａは二酸化シリコンから成り、材料Ｂはシリコンから形成される。シリコンは、低圧化学的気相堆積法プロセスによって多結晶シリコンとして形成可能であり、または、スパッタ堆積プロセスによりアモルファス・シリコンから形成可能である。あるいは、材料Ａは二酸化シリコンを、材料Ｂは窒化シリコンを含む。
【００９４】
図３７の例では、層１５１０、１５１５、１５２０等の第１組の層は、例えば二酸化シリコンのような材料Ａで形成される。層１５２５、１５３０、１５３５等の第２組の層は、例えばシリコンまたは窒化シリコンのような材料Ｂで形成される。多層スタック構造１５０５の上部に、例えば窒化シリコンのような薄い誘電体層を堆積し、キャッピング層１５４０として機能させる。キャッピング層１５４０の厚さは、約１０ｎｍおよび５００ｎｍの間の範囲である。底部キャッピング層１５４０は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。
【００９５】
材料Ａおよび材料Ｂは、異なるエッチング・レートを有するように選択し、バイアの壁にノッチまたは突出の形成を可能とする。図３７には等しい厚さで示すが、材料Ａおよび材料Ｂは異なる厚さを有する場合がある。
【００９６】
多層スタック構造１５０５は、例えば、約１００層の交互の材料Ａおよび材料Ｂを含み、合計の厚さは例えば約１０ミクロンとすることができる。層１５１０、１５１５、１５２０、１５２５、１５３０、１５３５等の層の厚さは、個々の磁区に対応するか、またはデータ・トラック１１のデータ領域３５または蓄積部４０における磁壁固定位置として機能する。
【００９７】
材料Ａまたは材料Ｂをエッチングして、ノッチまたは突出を形成する。層１５１０、１５１５、１５２０、１５２５、１５３０、１５３５等の層は等しい厚さで示すが、実際には、それらは異なる厚さである可能性がある。例えば材料Ａが表す１つの材料の厚さは、データ・トラック１１における磁壁間の分離距離に相当する場合がある。例えば材料Ｂが表す他の材料は、データ・トラックのデータ領域３５または蓄積部４０においてノッチまたは突出を形成する。かかるデータ・トラック１１の構成は、図１０および１１に示す。トラックを形成する材料の磁気特性に応じて、磁壁は、ノッチもしくは突出に限定するか、または、ノッチもしくは突出間の領域内に限定することができる。
【００９８】
図３８は、多層スタック構造１５０５におけるバイア１６０５、１６１０の形成を示す。材料Ｂ（すなわち層１５２５、１５３０、１５３５）としてシリコンを用いる実施形態では、バイア１６０５、１６１０の側壁を酸化させて、二酸化シリコンの薄い絶縁体層を形成する（厚さは約３ｎｍおよび３０ｎｍの間の範囲である）。バイア１６０５、１６１０に、強磁性体またはフェリ磁性体材料等の均質の磁気材料を充填して、データ・トラック１１のデータ領域３５および蓄積部４０を形成することができる。
【００９９】
図３９の断面図に示すように、バイア１６０５、１６１０は、多層スタック構造１５０５およびキャッピング層１４４０を貫通してブロック１４３０、１４３５までエッチングされている。図３８および３９の例では、バイア１６０５および１６１０は、バイアを非選択的にエッチングするプロセスによって平坦かつ円滑な壁を有するように形成する。材料Ａ（すなわち層１５１０、１５１５、１５２０）が二酸化シリコンから成り、材料Ｂ（すなわち層１５２５、１５３０、１５３５）がシリコンから成る実施形態では、バイア１６０５、１６１０は、二酸化シリコンに選択的なシリコンのドライ・エッチング・プロセスおよびシリコンに選択的な二酸化シリコンのドライ・エッチング・プロセスを交互に行うことによって形成することができる。二酸化シリコンに選択的なシリコンのドライ・エッチング・プロセスを交互に行うプロセスについては、米国特許番号第６，５４４，８３８号および第６，２８４，６６６号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。シリコンに選択的な二酸化シリコンのドライ・エッチング・プロセスを交互に行うプロセスについては、米国特許番号第６，２９４，１０２号および第５，８１１，３５７号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。
【０１００】
材料Ａが酸化シリコンから形成され、材料Ｂが窒化シリコンから形成される代替的な実施形態では、酸化シリコンに選択的な窒化シリコンのドライ・エッチング・プロセス（米国特許番号第６，４６１，５２９号および第６，０５１，５０４号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする）および窒化シリコンに選択的な二酸化シリコンのドライ・エッチング・プロセス（米国特許番号第６，２９４，１０２号および第５，９２８，９６７号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする）を交互に行うことによって、バイア１６０５および１６１０を形成可能である。非選択的なエッチング・プロセスは、材料Ａおよび材料Ｂを同一のレートでエッチングする。ブロック１４３０、１４３５が導電シリコン、銅等の導体で構成される場合、エッチング材料はブロック１４３０、１４３５の材料を実質的に浸食しない。
【０１０１】
図４０は、異なるエッチング・レートで材料に選択的エッチング・プロセスを用いた結果を示す。選択的なエッチング・プロセスを用いることにより、多層スタック構造１５０５の材料Ａおよび材料Ｂを異なるレートでエッチングすることができる。例えば、フッ化水素酸ＨＦ系の化学薬品（例えば緩衝または希釈ＨＦ）を、シリコンに選択的な二酸化シリコンのウエット・エッチングに用いることができ、リン酸Ｈ３ＰＯ４系の化学薬品を、二酸化シリコンに選択的な窒化シリコンのウエット・エッチングに用いることができる。
【０１０２】
異なるレートでの材料Ａおよび材料Ｂのエッチングによって、バイア１８０５、１８１０の断面に規則的なばらつきが形成される。強磁性体または強磁性体材料で充填すると、バイア１８０５、１８１０の断面のばらつきは、データ・トラック１１のデータ領域３５または蓄積部４０における突出またはノッチを生成する。トラック１１の突出またはノッチは、トラック１１の磁気領域間の可能な境界、すなわち、例えば図２に示す書き込み要素１５を用いてトラックに書き込まれる磁壁を表すように機能する。このため、これらのノッチまたは突出を用いて、データ領域３５および蓄積部４０においてトラックの磁壁を休止状態に固定する。バイア１８０５、１８１０のノッチまたは突出の構成は、データ・トラック１１の最適な性能を与えるように選択される。バイア１８０５、１８１０の構成ならびに材料Ａおよび材料Ｂの厚さの選択は、図２３、２４、２５、２６、２７のものと同様とすることができる。
【０１０３】
図４１は、多層スタック構造１５０５から材料を除去して領域または上部トレンチ１９０５を形成した結果を示す。材料を除去して領域１９０５を形成することは、例えば、フォトレジスト等を用いてエッチングすることによって実施可能である（米国特許番号第６，４６１，５２９号および第６，０５１，５０４号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする）。次いで、領域１９０５に強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して、図４２のデータ・トラック２００５によって示すように、データ・トラック１１の中央領域２０１０を形成する。
【０１０４】
図４２は、バイア１８０５、１８１０および領域１９０５に強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填することによって作成したデータ・トラック２００５を示す。バイア１８０５、１８１０および領域１９０５は、例えば無電解めっきまたは電気めっきのような様々な方法により充填することができる。無電解めっきのプロセスについては、米国特許番号第３，７０２，２６３号を、電気めっきのプロセスについては第４，３１５，９８５号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。
【０１０５】
図４３、４４の断面図に示すように、バイア２１０５、２１１０は、多層スタック構造１５０５を貫通してブロック１４３０、１４３５までエッチングされている。バイア２１０５、２１１０は、ブロック１４３０、１４３５との接触により、データ・トラック２００５に外部回路を接続する導体を形成する。材料Ａが酸化シリコンから形成され、材料Ｂが窒化シリコンから形成される実施形態では、バイア２１０５、２１１０は、酸化シリコンに選択的な窒化シリコンのドライ・エッチング・プロセス（米国特許番号第６，４６１，５２９号および第６，０５１，５０４号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。）および窒化シリコンに選択的な二酸化シリコンのドライ・エッチング・プロセス（米国特許番号第６，２９４，１０２号および第５，９２８，９６７号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。）を交互に行うことによって形成可能である。
【０１０６】
代替的な実施形態では、ブロック１４３０、１４３５は犠牲誘電体材料から構成され、これは、バイア２１０５、２１１０を形成するエッチング・プロセスによって除去される。この結果、図４４に示すようにトレンチ２１１５、２１２０が形成される。
【０１０７】
図４５、４６は、バイア２１０５、２１１０に、ポリシリコン、タングステン等の導電性材料を、ブロック１４３０、１４３５（図４５）まで充填した結果を示す。代替的な実施形態では、トレンチ２１１５、２１２０に、バイア２１０５、２１１０のものと同じプロセスによって、バイア２１０５、２１１０を充填するのと同じ導電性材料を充填して、導電性パッドを形成する。
【０１０８】
データ・トラック２００５に導電性接続を形成するための技法の一例として、バイア２１０５、２１１０の構成を示す。更に別の実施形態では、図４７に示すように、絶縁体１４０５を貫通してバイア２３０５、２３１０をエッチングすることによって、ブロック１４３０、１４３５までの導体を形成可能である。バイア２３０５、２３１０に導電性材料を充填することにより、データ・トラック２００５を、金属バイアを介して絶縁体１４０５の底部まで電気的に接続し、例えばトラック１１まで送信される電流パルスを形成するためのデバイスに接続することができる。
【０１０９】
データ・トラック２００５を製造するための方法２４００を、図４８、４９のプロセス・フローチャートによって示す。ステップ２４０５において、絶縁体１４０５を形成する（図３３）。ステップ２４１０では、絶縁体１４０５上に矩形１４１０、１４１５をパターニングする（図３３）。ステップ２４１５において、矩形１４１０、１４１５をエッチングして、トレンチ１４２０、１４２５を形成する（図３４）。ステップ２４２０では、トレンチ１４２０、１４２５に犠牲誘電体または導電性材料を充填して（図３５）、ブロック１４３０、１４３５を形成する。次いで、ステップ２４２５において、絶縁体１４０５の表面にキャッピング層を適用する。
【０１１０】
ステップ２４３０では、絶縁体１４５０に、交互の材料ＡおよびＢの多層を加え、多層スタック構造１５０５を形成する（図３７）。多層スタック構造１５０５は、例えば、約１００層の交互の材料ＡおよびＢを含み、合計の厚さは例えば約１０ミクロンとすることができる。ステップ２４３５において、多層スタック構造１５０５の上部にキャッピング層１５４０を形成する。ステップ２４４０では、多層スタック構造１５０５を貫通してブロック１４３０、１４３５まで、バイア１６０５、１６１０を非選択的にエッチングする（図３８、３９）。
【０１１１】
ステップ２４４５では、オプションの選択的エッチング・プロセスを用いて、バイア１６０５、１６１０の壁において、ある材料を他のものよりも選択的に速くエッチングし、バイア１６０５、１６１０の壁にノッチおよび突出を形成することができる（図４０、４１）。
【０１１２】
ステップ２４５０において、エッチングにより領域１９０５を除去して、バイア１８０５をバイア１８１０と接続するトレンチ１９０５を形成する（図４１）。ステップ２４５５では、バイア１８０５、１８１０およびトレンチ１９０５に、強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填し（図４２）、データ・トラック２００５を形成する。
【０１１３】
ステップ２４６０では、多層スタック構造１５０５の上部からブロック１４３０、１４３５まで、バイア２１０５、２１１０をエッチングする。ブロック１４３０、１４３５に犠牲誘電体材料を充填し、ステップ２４６０において、犠牲誘電体材料もエッチングにより除去し（図４４）、トレンチ２１１５、２１２０を形成する。ステップ２４６５では、バイア２１０５、２１１０に導電性材料を充填し、データ・トラック２００５を通して電流経路を形成する（図４５、４６）。ステップ２４６０において、ブロック１４３０、１４３５から犠牲誘電体材料をエッチングにより除去した場合、ステップ２４６５では、トレンチ２１１５、２１２０も充填し、導電性パッド２２１５、２２２０を形成する。
【０１１４】
図５０、５１、５２は、データ・トラック１１の底部すなわち中央領域４２を形成する実施形態を示す。例えば窒化シリコンまたは二酸化シリコン等の絶縁体２５０５を、厚さ約３００ｎｍに形成する。絶縁体２５０５にフォトレジストを塗布し、矩形２５１０の形状にパターニングする。標準的なエッチング技法を用いて、矩形２５１０を約２００ｎｍの深さまでエッチングして、トレンチ２５１５を形成する。窒化シリコン・エッチングのプロセスについては、米国特許番号第６，０５１，５０４号を、二酸化シリコンのエッチングのプロセスについては、米国特許番号第５，８１１，３５７号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。
【０１１５】
トレンチ２５１５に図５２の材料を充填して、ブロック２５２０を形成する。ブロック２５２０は、強磁性体またはフェリ磁性体材料から成り、データ・ブロック１１の中央領域４２に対応する。ブロック２５２０が強磁性体またはフェリ磁性体材料から成る場合、ブロック２５２０を平坦化し研磨する。ブロック２５２０において用いる例示的な強磁性体またはフェリ磁性体材料は、パーマロイ、ニッケル鉄等である。あるいは、ブロック２５２０は、後にエッチングにより除去される犠牲材料から成るものとすることができる。犠牲材料は、低圧化学的気相堆積法の後に平坦化のため化学機械研磨を行うことによって形成可能である。次いで、例えば窒化シリコンのような薄い誘電体層を、絶縁体２５０５の上部に堆積させて、キャッピング層として機能させる（図２５には示さない）。キャッピング層の厚さは、約１０ｎｍおよび５００ｎｍの間の範囲である。キャッピング層は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。
【０１１６】
図５３は、２つのバイアを形成し、データ・トラック１１のデータ領域３５および蓄積部４０を作成することができる構造の製造を示す。均一な層構造２６０５（本明細書中では均一層２６０５とも称する）を、例えば約１０ミクロンの厚さに形成する。層２６０５は、シリコンまたは、二酸化シリコンもしくは窒化シリコンのような誘電体材料から構成することができる。層２６０５がシリコンから形成される場合、シリコン層の表面の酸化を防ぐため、均一層２６０５の上部に、例えば窒化シリコンのような薄い誘電体層を堆積して、キャッピング層２６１０として機能させることができる。キャッピング層２６１０の厚さは、例えば約１０および５００ｎｍの間の範囲とすることができる。底部キャッピング層２６１０は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。
【０１１７】
図５４は、均一層２６０５におけるバイア２７０５、２７１０の形成を示す。バイア２７０５、２７１０に、強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して、データ・トラック１１のデータ領域３５および蓄積部４０を形成することができる。均一層２６０５としてシリコンを利用する実施形態では、バイア２７０５、２７１０の側壁を酸化させて、二酸化シリコンの薄い絶縁層を形成する（厚さは約３ｎｍおよび３０ｎｍの間の範囲である）。
【０１１８】
図５５の断面図に示すように、バイア２７０５、２７１０は、均一層２６０５を貫通して絶縁体２５０５のブロック２５２０までエッチングされている。バイア２７０５、２７１０は、平坦かつ円滑な壁を有するように形成する。均一層２６０５がシリコンである場合、バイア２７０５、２７１０の側壁を酸化させて、二酸化シリコンの薄い絶縁層を形成する（厚さは約３ｎｍおよび３０ｎｍの間の範囲である）。バイア２７０５、２７１０を形成した後に、キャッピング層２６１０をエッチングして、均質の強磁性体またはフェリ磁性体材料の底部すなわちブロック２５２０までコンタクトを開放する。キャッピング層２６１０は、絶縁体２５０５と同様に酸化に対して強いResistant。ブロック２５２０が強磁性体またはフェリ磁性体材料等の金属から構成される場合、エッチング材料は実質的にブロック２５２０内までエッチングしない。
【０１１９】
図５６、５７は、バイア２７０５、２７１０（均一層２６０５）およびトレンチ２９０５を備えたデータ・トラック１１の１形態の断面を示す。トレンチ２９０５を作成するため、ブロック２５２０に犠牲誘電体材料を充填する（図５２）。この材料は、バイア２７０５、２７１０を形成するとエッチングにより除去される。図５７に示す代替的な実施形態では、ブロック２９１０は強磁性体またはフェリ磁性体材料から構成され、これはバイア２７０５、２７１０を作成した後にも残る。
【０１２０】
図５８は、バイア２７０５、２７１０、およびトレンチ２９０５（図５６、５７）に、異なるタイプの強磁性体またはフェリ磁性体材料の交互の層を充填することによって作成されたトラック３００５を示す。バイア２７０５、２７１０、およびトレンチ２９０５は、例えば無電解めっきまたは電気めっきのような様々な方法によって充填することができる。無電解めっきのプロセスについては米国特許番号第３，７０２，２６３号を、電気めっきのプロセスについては米国特許番号第４，３１５，９８５号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。トレンチ２９０５に、１つの磁気材料すなわち材料Ｉを充填し、ブロック３０１０を作成する。ブロック３０１０は、データ・トラック１１の中央領域４２に対応する。
【０１２１】
次いで、ブロック３０１０上の層に磁気材料ＩＩを堆積して、層３０１５を形成する。次いで、層３０１５上に磁気材料Ｉを堆積して、層３０２０を形成する。磁気材料Ｉおよび磁気材料ＩＩをバイア内で交互に堆積して、例えば合計で約１００層の交互の層を形成する。層３０１５、３０２０等の各層の厚さは、例えば約５０および５００ｎｍの間とすることができる。交互の強磁性体またはフェリ磁性体層３０１５、３０２０は、磁化および／または磁気交換および／または磁気異方性を含む磁気特性が異なる磁気材料から成る。これらの異なる磁気特性によって、これらの層間の境界または層内に磁壁を固定することができる。
【０１２２】
あるいは、バイア２７０５、２７１０を充填する前に、ブロック２５２０が強磁性体またはフェリ磁性体等の材料を含むことも可能である。ブロック２５２０の金属を、電気めっきプロセスの電極として用いることができる。ブロック２５２０の磁気材料は、バイア２７０５、２７１０を充填するために用いるものと同じである場合もあるし、同じでない場合もある。
【０１２３】
交互の磁気層の間に、磁壁３０２５、３０３０が生じ得る。交互の強磁性体またはフェリ磁性体層３０２０、３０３５は、異なる磁化または磁気交換または磁気異方性を有する磁気材料から成る。これらの異なる磁気特性によって、層３０２０、３０３５間の境界３０２５に磁壁を固定することができる。例えば、層３０２０と層３０３５との間に磁壁３０２５が生じる。層３０３５と層３０４０との間には磁壁３０３０が生じる。
【０１２４】
代替的な実施形態では、磁気材料の１つ、例えば磁気材料ＩＩの各層内に、磁壁３０４５、３０５０が生じる可能性がある。磁気材料内に磁壁を有する層を形成することができる能力は、強磁性体またはフェリ磁性体材料の特性に依存する。データ・トラック１１内の磁壁の配置は、磁気材料Ｉおよび磁気材料ＩＩに用いる磁気材料の選択によって、意図的に最適化することができる。
【０１２５】
図５９、６０、６１に示すように、磁気材料の層の厚さは変動する場合がある。例示を容易にするため、図５９、６０、６１にキャッピング層は図示しない。図５９は、等しい厚さの磁気層から成るデータ・トラック３００５を示す。図６０は、異なる厚さの磁気層から成るデータ・トラック３１０５を示す。図６０において、磁気材料Ｉの層（層３１１０、３１１５によって表す）は薄い。磁気材料ＩＩの層（層３１２０、３１２５によって表す）は厚い。図６１において、データ・トラック３１３０も、異なる厚さの磁気層から成る。図６１では、磁気材料Ｉの層（層３１３５、３１４０によって表す）は厚い。磁気材料ＩＩの層（層３１４５、３１５０によって表す）は薄い。
【０１２６】
図６２は、異なる強磁性体またはフェリ磁性体の層から成るデータ・トラック３００５を製造する方法３２００を示す。ステップ３２０５では、絶縁体２５０５を形成する（図５０）。ステップ３２１０では、絶縁体２５０５上に矩形２５１０をパターニングする（図５０）。ステップ３２１５において、矩形２５１０をエッチングして、トレンチ２５１５を形成する（図５１）。ステップ３２２０では、トレンチ２５１５に、犠牲誘電体、強磁性体、またはフェリ磁性体材料を充填し（図５２）、ブロック２５２０を形成する。ステップ３２２５において、絶縁体に均一層２６０５を加える（図５３）。均一層２６０５は、例えば約１０ミクロンの厚さを有することができる。ステップ３２３０では、均一層２６０５の上にキャッピング層２６１０を形成する（図５３）。ブロック２５２０を完成した後に、層２５０５の上にもキャッピング層を適用することができる。
【０１２７】
ステップ３２３５では、非選択的エッチング・プロセスを用いて、均一層２６０５を貫通してブロック２５２０まで、バイア２７０５、２７１０をエッチングする（図５４、５５、５６、５７）。ブロック２５２０に犠牲誘電体材料を充填した場合、ステップ３２３５において、この犠牲誘電体材料もエッチングにより除去される（図５６）。
【０１２８】
ステップ３２４０では、バイア２７０５、２７１０に、異なるタイプの強磁性体材料またはフェリ磁性体材料の交互の磁気層を充填し（図５８）、データ・トラック３００５を形成する。トラック３００５の磁気材料層の厚さは、様々に異なる場合がある（図５９〜６１）。
【０１２９】
方法３２００を用いてトラック１１を作成するプロセスは、多層の磁気材料を用いることを除いて、方法１３００を用いてトラック１１を製造するプロセスと同様である。同様に、方法３２００を用いてトラック１１を製造することができる。この実施形態では、均一な誘電材料を多層スタック構造１５０５の代わりに用い、データ・トラック２００５に、均一な磁気材料でなく交互の層の磁気材料を充填する。
【０１３０】
これまで説明した本発明の具体的な実施形態は、本発明の原理のいくつかの利用を単に例示したことは理解されよう。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書中に記載した磁気シフト・レジスタ・システムに用いるデータ・トラックを製造する方法に対して、多数の変更が可能である。本明細書中に記載した寸法は、例示の目的のみで与えたものであり、本発明の範囲をこれらの寸法に限定する意図は全く無いことは、極めて明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明に従って、書き込み要素を用いて磁気シフト・レジスタにデータを書き込む例示的な実施形態の動作を表す。
【図２】本発明に従って、書き込み要素を用いて磁気シフト・レジスタにデータを書き込む例示的な実施形態の動作を表す。
【図３】図１および２の磁気シフト・レジスタの動作方法を示す概略図である。
【図４】図１および２の磁気シフト・レジスタの動作方法を示す概略図である。
【図５】図１および２の磁気シフト・レジスタの動作方法を示す概略図である。
【図６】図１および２の磁気シフト・レジスタの動作方法を示すプロセス・フローチャートである。
【図７】多数タイプの交互の強磁性体材料から構築された図１の磁気シフト・レジスタの実施形態を示す概略図を表す。
【図８】多数タイプの交互の強磁性体材料から構築された図１の磁気シフト・レジスタの実施形態を示す概略図を表す。
【図９】図１のシフト・レジスタの別の実施形態の概略図であり、単一の強磁性体材料から成るものとしてシフト・レジスタのウエルまたは底部を示す。
【図１０】均質な強磁性体材料に切れ込みを有するように構築された図１の磁気シフト・レジスタの実施形態を示す概略図を表す。
【図１１】均質な強磁性体材料に切れ込みを有するように構築された図１の磁気シフト・レジスタの実施形態を示す概略図を表す。
【図１２】図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックの底部領域の形成を示す図を表す。
【図１３】図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックの底部領域の形成を示す図を表す。
【図１４】図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックの底部領域の形成を示す図を表す。
【図１５】図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックの底部領域の形成を示す図を表す。
【図１６】図１の磁気シフト・レジスタにおけるデータ・トラックのデータ領域および蓄積部を形成することができる多層スタック構造の形成を示す図である。
【図１７】強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して図１の磁気シフト・レジスタのデータ領域および蓄積部を形成するため、多層スタック構造にバイアを形成することを示す図を表す。
【図１８】強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して図１の磁気シフト・レジスタのデータ領域および蓄積部を形成するため、多層スタック構造にバイアを形成することを示す図を表す。
【図１９】強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して図１の磁気シフト・レジスタのデータ領域および蓄積部を形成するため、多層スタック構造にバイアを形成することを示す図を表す。
【図２０】強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して図１の磁気シフト・レジスタのデータ領域および蓄積部を形成するため、多層スタック構造にバイアを形成することを示す図を表す。
【図２１】強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して図１の磁気シフト・レジスタのデータ領域および蓄積部を形成するため、多層スタック構造にバイアを形成することを示す図を表す。
【図２２】図１６の多層スタック構造の上部から図１２〜１５の底部まで平面的で円滑な壁を有するようにエッチングしたバイアを示す断面図である。
【図２３】バイアの壁に選択的なエッチング・プロセスを用いて、断面に規則的なばらつきを有するバイアを作成した結果を表す。
【図２４】バイアの壁に選択的なエッチング・プロセスを用いて、断面に規則的なばらつきを有するバイアを作成した結果を表す。
【図２５】バイアの壁に選択的なエッチング・プロセスを用いて、断面に規則的なばらつきを有するバイアを作成した結果を表す。
【図２６】バイアの壁に選択的なエッチング・プロセスを用いて、断面に規則的なばらつきを有するバイアを作成した結果を表す。
【図２７】バイアの壁に選択的なエッチング・プロセスを用いて、断面に規則的なばらつきを有するバイアを作成した結果を表す。
【図２８】磁気材料を充填して図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックを製造することができるデータ・トラックの形態の断面を示す。
【図２９】磁気材料を充填して図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックを製造することができるデータ・トラックの形態の断面を示す。
【図３０】バイアおよび底部トレンチに強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填することによって作成されたデータ・トラックを示す。
【図３１】バイアおよび底部トレンチに強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填することによって作成されたデータ・トラックを示す。
【図３２】図３０および３１に示すように均質な磁気材料によって図１の磁気シフト・レジスタを製造する方法を示すプロセス・フローチャートである。
【図３３】図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックのデータ領域および蓄積部に接続する導電パッドの製造を示す。
【図３４】図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックのデータ領域および蓄積部に接続する導電パッドの製造を示す。
【図３５】図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックのデータ領域および蓄積部に接続する導電パッドの製造を示す。
【図３６】図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックのデータ領域および蓄積部に接続する導電パッドの製造を示す。
【図３７】図１の磁気シフト・レジスタのデータ領域および蓄積部を作成するために２つのバイアを形成することができる多層スタック構造の製造を示す。
【図３８】強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して図１の磁気シフト・レジスタのデータ領域および蓄積部を形成するため、多層スタック構造にバイアを形成することを示す図である。
【図３９】多層スタック構造の上部から図３３〜３６の導電パッドまでエッチングしたバイアの形成を示す、図３８の多層スタック構造の断面図である。
【図４０】バイアの断面に選択的なエッチング・プロセスを用いて、バイア断面に規則的なばらつきを作成した結果を示す図である。
【図４１】多層スタック構造の上部でバイア間の材料を除去して、図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックのデータ領域を蓄積部と接続する磁気領域のためのトレンチを作成することを示す図である。
【図４２】図３９のバイアおよび図４１の領域に均質な強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填することによって製造されたデータ・トラックを示す図である。
【図４３】図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックに接続する導体を形成するため、多層スタック構造にエッチングしたバイアの断面を示す図を表す。
【図４４】図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックに接続する導体を形成するため、多層スタック構造にエッチングしたバイアの断面を示す図を表す。
【図４５】図４３および４４のバイアに導電性材料を充填した結果を示す図を表す。
【図４６】図４３および４４のバイアに導電性材料を充填した結果を示す図を表す。
【図４７】図３３〜３６の導体の底部までバイアを形成し、図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックに短い導電性経路を形成することを示す図である。
【図４８】図４７に示す均質な磁気材料によって図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックを製造する方法を示すプロセス・フローチャートを表す。
【図４９】図４７に示す均質な磁気材料によって図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックを製造する方法を示すプロセス・フローチャートを表す。
【図５０】図１のデータ・トラックにおいて、データ領域および蓄積部を接続する領域の形成を示す図を表す。
【図５１】図１のデータ・トラックにおいて、データ領域および蓄積部を接続する領域の形成を示す図を表す。
【図５２】図１のデータ・トラックにおいて、データ領域および蓄積部を接続する領域の形成を示す図を表す。
【図５３】図１のデータ・トラックのデータ領域および蓄積部を作成するために２つのバイアを形成することができる均一な層構造の製造を示す図である。
【図５４】図１のデータ・トラックのデータ領域および蓄積部のため、均一層構造におけるバイアの形成を示す図である。
【図５５】図５４の均一層構造およびバイアの断面を示す図である。
【図５６】図５４のバイアおよび２つのバイアを接続するトレンチの断面を示す図を表す。
【図５７】図５４のバイアおよび２つのバイアを接続するトレンチの断面を示す図を表す。
【図５８】図５４のバイアに交互の磁気材料を充填して図１のデータ・トラックを製造した結果を示す図である。
【図５９】交互の厚さの磁気材料の交互の層を用いて図１のデータ・トラックを製造することを示す図を表す。
【図６０】交互の厚さの磁気材料の交互の層を用いて図１のデータ・トラックを製造することを示す図を表す。
【図６１】交互の厚さの磁気材料の交互の層を用いて図１のデータ・トラックを製造することを示す図を表す。
【図６２】交互の層の磁気材料を用いて図１の磁気シフト・レジスタのデータ・トラックを製造する方法を示すプロセス・フローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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